Американские исследователи разработали новую компьютерную модель, которая позволяет значительно точнее рассчитывать последствия ядерного взрыва рядом с опасным астероидом. Симуляции показали, что выбор стороны для облучения может изменить эффективность отклонения почти в пять раз. При этом новая модель работает более чем в 1600 раз быстрее предыдущих аналогов, что позволяет исследовать гораздо больше возможных сценариев защиты Земли.

Один астероид — разные результаты

Один из возможных способов предотвратить столкновение опасного астероида с Землей — использовать ядерный взрыв на некотором расстоянии от него. Предполагается, что мощная вспышка рентгеновского излучения нагреет и испарит часть поверхности небесного тела. Образующийся при этом поток вещества создаст реактивную тягу, которая изменит траекторию астероида.

Однако эффективность такого метода зависит не только от мощности взрыва и расстояния до цели. Как показало новое исследование американских ученых, огромное значение имеет и то, с какой стороны облучать астероид.

Исследователи провели компьютерные симуляции, в которых один и тот же астероид подвергался воздействию рентгеновского излучения под разными углами. В одном случае изменение его линейной скорости составило 3,9 мм/с, в другом — всего 0,8 мм/с. Таким образом, выбор направления облучения привел к разнице почти в пять раз.

Не менее существенным оказалось влияние на вращение небесного тела. Для другого смоделированного астероида изменение скорости вращения в зависимости от направления воздействия различалось в 17 раз.

По словам руководителя исследования, физика Национальной лаборатории Сандия Натана Мура, ученые предполагали, что точка воздействия будет иметь значение, но не ожидали настолько большой разницы.

Результаты работы опубликованы в научном журнале Icarus.

Почему форма астероида имеет значение

Главная проблема предыдущих исследований заключалась в упрощенном представлении об астероидах. Для математических расчетов их часто моделировали в виде сфер, хотя реальные небесные тела имеют неправильную форму, неровную поверхность и множество выступов и впадин.

Такие особенности существенно влияют на распределение энергии при облучении. В зависимости от геометрии поверхности один и тот же взрыв может вызвать неодинаковое испарение вещества в разных частях астероида. Соответственно, меняются и сила, и направление возникающего импульса. Кроме того, неравномерное воздействие способно заметно изменить вращение небесного тела.

Чтобы учесть эти факторы, команда Мура объединила два вычислительных инструмента, разработанных в Sandia National Laboratories. Первый, ALEGRA, предназначен для моделирования быстрых процессов с высокими энергиями. Второй, SPARTA, позволяет рассчитывать воздействие сравнительно слабых сил, развивающихся на больших временных интервалах.

Объединение этих подходов позволило одновременно учитывать сложную геометрию астероида и физические процессы, происходящие при воздействии рентгеновского излучения.

Модель стала быстрее более чем в 1600 раз

Не менее важным достижением стала вычислительная эффективность нового алгоритма. По словам Мура, он работает более чем в 1600 раз быстрее прежних решений. Именно это позволило исследователям проводить расчеты, которые раньше были практически недоступны из-за требований к вычислительным ресурсам.

Модель способна использовать трехмерные изображения астероида, полученные космическими аппаратами, для восстановления его формы. После этого исследователи могут задавать параметры гипотетического взрыва: его мощность, расстояние до небесного тела и направление рентгеновского воздействия.

Результатом становится подробная тепловая карта, показывающая, какие участки поверхности нагреваются и в какой степени испаряется вещество. На ее основе рассчитываются передаваемый астероиду импульс, изменение его скорости и вращения, а также возможная степень разрушения.

Это позволяет не просто оценивать эффективность ядерного воздействия в целом, но и подбирать условия, при которых оно с наибольшей вероятностью изменит траекторию конкретного небесного тела.

Главная опасность — не превратить астероид в облако обломков

При разработке подобных методов важно учитывать не только возможность отклонить астероид, но и риск его разрушения. Раскол небесного тела сам по себе не гарантирует безопасности: вместо одного крупного объекта к Земле могут направиться многочисленные фрагменты, которые также представляют угрозу.

Поэтому задача заключается в том, чтобы передать астероиду достаточный импульс для изменения его траектории, не разрушив при этом само тело.

У новой модели пока есть существенное ограничение. Она учитывает разрушение и испарение поверхностных пород, но не позволяет надежно предсказывать, как поведет себя астероид целиком под воздействием взрыва. Для этого потребуются дополнительные исследования и более совершенные вычислительные инструменты.

Есть и практическая проблема: для точного моделирования необходимы подробные трехмерные данные о форме астероида со всех сторон. Получить их заранее удастся не всегда, особенно если обнаружение потенциально опасного объекта произойдет незадолго до возможного столкновения.

Тем не менее новая разработка делает расчеты ядерного отклонения значительно точнее и позволяет учитывать факторы, которые раньше оставались за пределами возможностей компьютерного моделирования. В случае реальной угрозы это может оказаться принципиально важным: недостаточно просто знать, насколько мощным должен быть взрыв. Необходимо еще понимать, куда направить его воздействие, чтобы астероид изменил курс, а не начал вращаться быстрее или распался на опасные фрагменты.